完整故事
疟原虫秘密地运行着微型“火箭发动机”——科学家们终于开始弄清楚如何关闭它们。图片来源：Shutterstock
要点
- 疟原虫体内充满了不停旋转的微小晶体，这种奇怪的行为困扰了科学家数十年。
- 研究人员现已发现，这些晶体是由过氧化氢的分解驱动的，这是一种类似于火箭发动机使用的反应。
- 这种持续旋转可能帮助寄生虫通过安全清除有毒过氧化氢并管理有害铁化合物来生存。
影响：这一发现可能为新的疟疾治疗方法打开大门，并推动微型机器人技术的进步。
疟原虫内部的旋转晶体
致命疟疾病原体恶性疟原虫的每个细胞都包含一个微小的隔室，里面充满了微观铁晶体。在寄生虫存活期间，这些晶体持续运动。它们在狭窄的空间内旋转、弹跳并相互碰撞，就像机器中剧烈摇晃的零钱，移动得如此快速和不可预测，以至于标准科学工具难以追踪。然而，当寄生虫死亡时，运动立即停止。
这些铁晶体长期以来一直是抗疟药物的关键靶点，但自首次观察到以来，它们不寻常的运动一直困扰着科学家。“人们不会谈论他们不理解的东西，而且由于这些晶体的运动如此神秘和怪异，它几十年来一直是寄生虫学的一个盲点，”犹他大学斯宾塞·福克斯·埃克尔斯医学院（SFESOM）生物化学系副教授保罗·西加拉博士说。
现在，西加拉团队揭示了这种奇怪行为背后的机制。这些晶体是由一种类似于用于驱动火箭的化学反应所驱动的。
这一发现可能为治疗疟疾指明新策略，也为设计纳米级机器人系统提供见解。该研究结果发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。
类似火箭的化学驱动晶体运动
研究人员发现，这些由含铁化合物血红素构成的晶体，是通过过氧化氢分解为水和氧气的过程而开始运动的。这一反应释放能量，提供了保持晶体运动所需的力。
这种推进方式在航空航天工程中广为人知，过氧化氢被用作发射航天器的燃料，但此前从未在生物系统中被发现。“这种过氧化氢分解已被用于驱动大型火箭，”SFESOM生物化学博士后研究员埃里卡·黑斯廷斯博士说。“但我认为它从未在生物系统中被观察到。”
过氧化氢在容纳晶体的微小隔室内含量丰富，而寄生虫自然将其作为副产物产生。这使得它成为潜在能量来源的有力候选者。实验证实，仅过氧化氢就能使分离的晶体旋转，即使在寄生虫体外也是如此。
当寄生虫在低氧条件下生长时，这会减少过氧化氢的产生，晶体旋转速度减慢至通常速度的一半左右，尽管寄生虫在其他方面仍保持健康。
晶体运动为何有助于寄生虫生存
研究人员认为，这种持续运动可能在帮助寄生虫生存方面发挥关键作用。一种可能的解释涉及过氧化氢本身，它具有高毒性。旋转的晶体可能帮助寄生虫安全分解过量的过氧化氢，降低有害化学反应造成的损害风险。
西加拉提出了另一个好处。这种运动可以防止晶体聚集在一起，从而限制它们储存更多血红素的能力。如果晶体结块，它们会失去有效处理更多血红素所需的表面积。通过保持运动，寄生虫可能能够更有效地管理这一过程。
对新药和纳米技术的意义
据研究人员称，这些旋转晶体代表了生物学中第一个已知的自推进金属纳米粒子实例。他们怀疑自然界中其他地方可能存在类似过程。
这些发现可能有助于指导先进微型机器人的开发。“纳米工程的自推进粒子可用于各种工业和药物递送应用，我们认为这些结果将带来潜在的见解，”西加拉说。
还有潜在的医学应用。“我们认为过氧化氢的分解可能对减少细胞应激做出重要贡献，”西加拉说。“如果存在阻止晶体表面化学反应的途径，那本身可能就足以杀死寄生虫。”
由于这种机制与人体细胞中的任何机制都截然不同，它成为了新疗法的有吸引力的靶点。旨在干扰这一过程的药物不太可能引起有害副作用。“如果我们把药物靶向到一个与人体细胞非常不同的区域，那么它可能不会产生极端副作用，”黑斯廷斯解释说。“如果我们能够确定这种寄生虫与人体有何不同，它就能为我们提供新的药物研发方向。”
研究结果以“疟原虫中疟色素晶体运动的化学推进”为题发表在《PNAS》上。
这项工作得到了美国国立卫生研究院（资助号R35GM133764、R21AI185746、R35GM14749和T32AI055434）、犹他州铁与血红素疾病中心（资助号U54DK110858）、犹他大学普莱斯工程学院以及犹他大学健康科学3i倡议的支持。内容完全由作者负责，并不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。
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